초고주파 RFID 태그의 감도 시험 방법 및 해결책

　　초고주파 태그는 840M에서 960MHz 사이의 수동 RFID 태그를 의미합니다. 이 밴드의 라벨은 EPCglobal Class 1 Generation 2 표준에서 유래했습니다. 그중 EPCglobal은 전자 제품 코딩 표준 기관이며, 1급 2세대 RFID 표준은 종종 C1G2로 약칭됩니다. 이 표준은 860M-960MHz의 초고주파 대역에서 무선 주파수 식별 프로토콜을 명시합니다. 이 프로토콜은 마이크로초 단위의 리더-태그 응답과 과학적 충돌 방지 메커니즘을 특징으로 하여 수십 미터 내에서 빠른 태그 읽기와 쓰기를 가능하게 합니다. 이상적으로는 초당 200개에서 300개의 라벨을 세고, 읽기 거리는 약 30미터로, 한때 차세대 지능형 물류의 표준으로 높이 평가받았다. 이후 ISO 조직은 이 표준을 수용하고 ISO 18000-6C로 전환했습니다. 최근 몇 년간 중국도 이 기술에서 혁신을 이루었으며, 인접한 GSM 서비스 대역을 피하고 840-845MHz 및 920M-925MHz 주파수를 지정한 자체 표준 GB/T 29768을 출시했습니다.

　　현재 이 프로토콜들은 통틀어 800-900MHz 초고주파 RFID(UHF)라고 불립니다. 이 프로토콜들은 모두 고속 응답, 빠른 인벤토리, 긴 읽기/쓰기 거리와 같은 특징을 물려받습니다. 이 인기 있는 프로토콜 제품의 성능이 사용의 핵심입니다. 그중 레이블은 치열한 경쟁의 중심에 있습니다. RFID 태그는 단가가 비교적 낮지만 대량으로 사용되어 설계와 제조에 더 큰 요구를 받습니다. 라벨 설계 기술과 생산 공정의 결함과 불안정성으로 인해 성능 테스트는 제어에 필수적입니다.

　　하지만 이 태그 민감도 테스트는 비접촉 RF 측정을 포함하기 때문에 여러 기술적 도전을 극복해야 합니다. 이 글에서는 이러한 방법들의 이론적 방법과 실용적 측면을 소개하는 데 중점을 둡니다.

　　초고주파 RF 태그에 대한 감도 테스트 방법

　　기본 설정

　　UHF 태그 테스트는 주로 마이크로파 무반향실이나 암실에서 이루어지지만, 반암실이나 간섭이 적은 현장에서도 수행할 수 있습니다. 하지만 UHF 태그는 비교적 높은 주파수와 약 1/3미터 파장을 가지기 때문에 무반향실 크기에 대한 요구가 그리 높지 않아 경제적으로 휴대가 더 쉽습니다. 라벨 테스트의 물리적 구성과 관련해서는 두 가지 주요 방법이 있습니다: 이중 안테나와 단일 안테나. 최대 성능을 위해 EPCglobal과 ISO는 듀얼 안테나 방식을 권장합니다. 이 방법은 송신과 수신 각각 한 쌍의 좌우 원편파 안테나 쌍을 사용하여 최대 송수신 격리를 달성하여 테스트 시스템이 고출력으로 송신하고 높은 감도로 수신할 수 있게 하여 라벨을 낮은 감도로 처리할 수 있게 합니다. 편의를 위해 루퍼는 이중 안테나를 송수신 이중 방식으로 단일 안테나 구성으로 결합하는 데도 사용됩니다. 안테나 반사 특성 때문에 전체 시스템 성능은 이중 안테나 구성보다 낮습니다.

　　그림 1 이중 안테나 태그 테스트 구성 회로도

　　단위를 나타냅니다

　　라벨 민감도는 보통 전력 또는 전장 세기로 표현됩니다. EPCglobal은 태그가 수신하는 단극 방사선 전력인 RIPTUT을 사용하여 더 실용적입니다. 간단히 말해, 태그가 작동할 수 있는 RF 자기장 세기는 이상적인 단극자 안테나가 받는 전력입니다. 그 단위는 dBm입니다.

　　ISO 테스트 전장 세기는 라벨이 제대로 기능하기 위해 필요한 최소 전장 세기로 표현됩니다. 그 단위는 V/m입니다.

　　이 두 테스트 결과는 겉보기에는 다를 수 있지만, 사실 두 경우 모두 테스터의 송신 전력을 사용해 계산됩니다.

　　EPCglobal 태그는 단극 전력 계산식을 받습니다:

　　RIP=EIRP-PL 포뮬러 1

　　EIRP = P + GTx 포뮬러 2

　　여기서 EIRP는 기기의 동등한 단극 복사 전력(dBm), PL은 태그로 송신하는 안테나에서 발생하는 자유 공간 전송 손실(dB), P는 송신 안테나의 입력 전력(dBm), GTx는 송신 안테나의 이득(dB)입니다.

　　여기서 PRx는 수신 전력, PTx는 생성된 전력, Ae는 안테나의 등가 개구 면적, R은 송신 안테나와 수신 안테나 사이의 거리입니다. 이 공식은 원거리 송신 손실과 이상적인 단극자 안테나 간 거리 간의 관계를 설명합니다. 아래에서는 일반적인 테스트 거리에서 자유공간 전송 손실이 있는 여러 전형적인 샘플 주파수 지점(dB 단위)을 제시합니다.

　　위 계산은 원거리 구면파 모델을 기반으로 한 것임을 유의하세요. 송수신 거리가 너무 짧으면 계산 결과가 편차됩니다. EPCglobal은 거리를 0.8-1미터로 지정합니다. ISO 18046-3은 가장 가까운 시험 거리를 명시합니다.

　　여기서 R은 테스트 거리이고, L은 송신 안테나의 최대 변 길이(직경)입니다. 아래에는 일반적인 안테나 크기와 주파수에서의 시험 거리에 대한 ISO 요구사항을 제공합니다.

　　다중 시험 항목

　　순방향 연결 거리

　　태그 민감도 테스트에서는 태그 읽기/쓰기 거리에 관한 질문을 자주 듣습니다. 읽기/쓰기 거리는 태그 민감도와 반사 성능과 관련이 있지만, 실용적으로는 리더기의 성능과도 관련이 있습니다. 따라서 테스트 과정에서 리더/라이터가 이상적인 모노폴 안테나를 통해 35dBm 출력으로 송신하여 읽기/쓰기 거리를 달성한다고 가정합니다. 그래서 질문입니다: 초고주파 태그는 읽기/쓰기 거리가 매우 깁니다. 초대형 RF 챔버를 장착해야 할까요? SenseTech는 그렇지 않습니다. 위 원거리 조건에서 태그의 최소 작동 전력을 측정하고, 송신 안테나 이득을 빼면 동등한 단극자 복사 전력(EIRPTX)을 얻습니다. 그 후, 공간 전송 감쇠가 거리의 제곱에 비례한다는 원리에 근거해 읽기/쓰기 거리를 추정할 수 있습니다:

　　순방향 링크 거리, 즉 읽기 거리는 태그 활성화에 필요한 자기장 세기에 따라 달라집니다.

　　역방향 연결 거리

　　태그 반사 전력의 크기는 리더가 읽을 수 있는 거리를 결정하므로, 역링크 범위는 태그 반사 전력을 통해 추정할 수 있습니다. 역연결 거리는 안테나 이득 5dBil, 수신 민감도가 -70dBm인 리더기가 반사된 전력을 읽는 거리입니다. EPCglobal 표준[2]은 계산 방법을 제공하며, 결과는 보통 순방향 연결 거리보다 더 깁니다.

　　여기서 EIRPTx0는 역방향 연결 감도에 필요한 송신 등가 모노폴 전력으로, 순방향 연결 감도에 2dB를 더한 값으로 정의됩니다; PRx0는 EIRPTx0 전송 조건에서 수신되는 태그 반사 전력입니다; GRx는 수신 안테나의 이득입니다.

　　다양한 태그 작동 모드의 민감도

　　태그에 필요한 전력 소모는 ID 번호 읽기, 레지스터 정보 읽기, 쓰기 레지스터 정보 쓰기 동작 모드에 따라 달라지므로, 이 세 모드의 민감도가 다릅니다. 이로 인해 인식, 읽기, 쓰기 민감도의 세 가지 테스트 모드가 발생합니다. 위의 최소 작동 전력, 최소 자기장 세기, 순방향 및 후진 읽기 거리는 모두 이 세 가지 작동 모드 하에 표시기를 가지며, 각각 다릅니다.

　　EIRP 및 ERP

　　많은 표준 중에서 동등한 단극 송전 전력이 더 흔하지만, ERP도 사용됩니다. 2013년에 발표된 State Grid Corporation 표준에서 ERP는 동등한 다이폴 안테나의 송신 전력을 의미합니다. 이상적인 다이폴 안테나 이득은 약 2.2이므로, 두 것 간의 차이는 하나의 상수일 뿐입니다.

　　매개변수 예시

　　송수신 안테나 모두 6dBi의 이득을 가진다고 가정하며, 테스트 거리는 1미터, 태그 안테나 이득은 2dB, 태그 반사 손실은 5dB입니다. 기기가 915MHz로 송신하고 전력이 PTx일 때, 태그가 전력을 수신합니다.

　　PTag=PTx+6-31.7+2=PTx-23.7

　　포뮬러 11

　　태그의 반사 전력이 수신 전력의 3분의 1인 약 -5dB라고 가정할 때, 테스터 수신기가 받는 전력은 다음과 같습니다:

　　PRx=PTag-5+2-31.7+6= PTag-28.7

　　공식 12는 칩과 수신기가 서로 다른 전송 전력에 대해 다음 두 공식에 따라 받는 전력을 계산합니다:

　　즉, 이상적인 조건에서 1미터 거리에서 수신되는 초고주파 태그의 반사 전력은 전송된 전력보다 약 62dB 낮습니다. 현재 최고의 라벨은 약 -18dBm의 개방 파워에 도달할 수 있으므로, 테스터가 수신하는 태그 신호는 일반적으로 -47.4dBm 이상의 출력을 가집니다. 실제로는 태그 안테나 설계 때문에 이득이 2 미만이거나 임피던스 매칭에 의한 감쇠가 발생하여 태그 반사비가 -5dB에 달합니다. 이러한 요인을 고려하면, 영향이 10dB를 넘지 않는다고 가정하면, 수신된 출력은 -60dBm 이상입니다.

　　따라서 RFID 태그 감도 테스트는 기기가 리더기처럼 매우 낮은 감도를 가질 필요는 없으며; 오히려 테스트 정확도와 보정이 가장 중요한 지표입니다. 간단히 말해, 기기는 측정값의 전송을 보장하면서 정밀한 측정을 위한 도구입니다. 비교는 정밀도에 초점을 맞춘 반면, 측정된 라벨은 민감도와 읽기/쓰기 거리에 초점을 맞춥니다.

　　테스트 예시

　　저자는 Juxing Instruments의 2세대 RFID 종합 테스터를 사용해 다크 박스 환경에서 두 개의 초고주파 태그의 감도를 테스트했습니다. 테스트된 태그 중 하나는 EPC C1G2이고, 다른 하나는 국가 표준 800/900MHz 태그입니다. 각 라벨은 반복성을 위해 10회 테스트됩니다.

　　(a) EPCUHF 샘플의 표준 편차< 0.04dBm

　　(b) 국가 표준 샘플의 표준편차 < 0.07dBm

　　그림 2 두 태그 식별을 위한 최소 개방 파워

　　그림 2는 반복성 검사의 곡선을 보여줍니다. 여기서 (a)는 EPCglobalC1G2 UHF 샘플 라벨의 인식 능력이고, (b)는 국가 표준 800/900M 라벨 샘플의 인식 능력입니다. 이 표본 세트에서 국가 표준 태그가 EPC 태그보다 민감도가 더 높으며, 국가 표준 태그가 임계 전력에서 활성화 가능 여부에 대한 무작위성이 더 높아 표준편차가 EPC 샘플 라벨보다 약간 더 커졌습니다. 요약하자면, 이 실험은 0.1dB보다 더 나은 기기 반복성을 입증했습니다. 일반적으로 저가형 테스터는 리더 칩이나 유사한 기술을 사용해 조립합니다

　　시험 장비의 반복성은 이 기기의 성능에 비해 훨씬 떨어져 측정 정확도에 심각한 문제를 야기합니다.

　　계측 교정 측면에서 국립 계측 연구소 시스템은 이미 RFID 테스터 교정 방법과 시설, 안테나 이득 측정 장비를 갖추고 있습니다. 저자는 네 개의 RFID 테스트 안테나를 검사 대상으로 보내 이득을 평가하고, 실험실 안테나와 교차 발사하여 매우 높은 일관성과 반복성을 달성했습니다.

　　요약

　　초고주파 RFID 태그 테스트는 고정밀 기기와 안테나를 통해 이루어지는 고정밀 추적 가능한 테스트로, 계측 교정이 보장됩니다. 이 기기는 공중 인터페이스 명령을 통해 테스트 태그에 응답하며, 근거리에서 태그 인식, 읽기, 쓰기에 필요한 최소 입사 전력과 태그 반사 전력을 테스트합니다. 그 다음 이 최소 동작 전력을 바탕으로 태그의 동등한 단극 안테나 수신 전력 감도와 순방향 연결 거리를 계산합니다; 전력 감도와 반사 전력을 바탕으로 역 연결 거리를 계산하세요.

　　EPCglobal과 ISO는 시험 조건과 측정 단위에 대해 서로 다른 규정을 가지고 있습니다. EPCglobal은 동등한 전력과 거리를 사용하고, ISO는 필드 세기와 반사된 레이더 단면적 변화율을 사용합니다. 전자는 사용 시나리오에 더 가깝고, 후자는 물리 원리에 더 가깝지만, 실제로는 두 가지 모두 동일한 물리량 측정에서 계산된 결과이며 명확한 이점이나 열등함이 없습니다.

　　다양한 표준과 사양에 따르면, 태그의 테스트 거리는 대부분 1미터 이내이며, 전송 전력은 0에서 30 dBm 사이이고 수신 신호 출력은 대부분 -60 dBm 이상입니다.

　　측정 기기 측면에서 고정밀 기기는 필수적입니다. RF 트랜시버와 안테나 이득을 포함한 정확한 측정과 보정이 정확성을 보장하는 핵심입니다. 현재 고급 기기는 최대 0.3dB의 측정 정확도를 달성할 수 있으며, 반복성은 0.1dB보다 더 우수할 수 있습니다.